本發(fā)明涉及煤炭開采，尤其是涉及無煤柱自成巷底板減損頂板平衡保水開采方法。

背景技術(shù)：

1、目前，我國煤炭資源90％以上采用井工長壁開采方法。長壁開采是一種高效的地下煤炭開采方法，它通過在煤層中布置長壁工作面，利用機(jī)械化設(shè)備完成煤炭的切割、裝運(yùn)和支護(hù)等作業(yè)。根據(jù)工作面間是否留設(shè)煤柱可分為留煤柱開采體系和無煤柱開采體系，其中無煤柱自成巷開采方法是目前較為先進(jìn)的無煤柱開采體系。針對我國大規(guī)模煤炭開采條件下如何進(jìn)行水資源的保護(hù)(保水開采)存在以下兩大方面的難題：

2、(1)在留煤柱開采體系下，工作面間留設(shè)煤柱。由于煤柱應(yīng)力集中，圍壓分布不均、沉降變形不平衡，一方面，頂板巖層會形成發(fā)育完整的“三帶”(垮落帶、導(dǎo)水裂隙帶及彎曲下層帶)，其中垮落帶或?qū)严稁б坏┻B通頂板含水層，則會引發(fā)頂板水資源流失，影響生態(tài)環(huán)境；另一方面，由于煤柱的留設(shè)，導(dǎo)致了煤柱附近底板巖層一定范圍存在“壓拉區(qū)”與“壓剪區(qū)”，其最大破壞深度增加，若底板破壞帶連通底板含水層，則底板水會通過導(dǎo)水通道涌入開采空間，導(dǎo)致含水結(jié)構(gòu)遭到破壞。

3、(2)無煤柱自成巷開采作為一種新的無煤柱開采方法，可通過取消煤柱提高資源回收率，緩解采掘接續(xù)緊張問題，但如何采取有效方法實(shí)現(xiàn)保水平衡開采仍需解決。主要體現(xiàn)在：

4、但仍存在以下難題需要解決：

5、①在開采煤層與頂?shù)装搴畬泳嚯x確定且煤層厚度為薄及中厚煤層時，為實(shí)現(xiàn)底板保水開采，缺少考慮采空區(qū)充填程度的切頂高度設(shè)計方法。如何采用卸壓等技術(shù)手段減小底板壓拉/壓剪區(qū)破壞范圍，降低底板導(dǎo)水破壞帶及深度尚無，即如何實(shí)現(xiàn)底板減損，實(shí)現(xiàn)保底板水開采。

6、②遇厚煤層大采高等切頂巖體碎脹不能充滿采空區(qū)時，可能出現(xiàn)頂板導(dǎo)水裂隙帶、底板導(dǎo)水破壞帶連通含水層的情況。此時調(diào)整切頂高度已無法滿足保水開采要求。如何提高開采空間內(nèi)填充程度，滿足對采空區(qū)頂板的支撐作用，實(shí)現(xiàn)覆巖及中高位巖層有效支撐和平衡開采不得而知，即如何避免頂板下沉，實(shí)現(xiàn)平衡開采，實(shí)現(xiàn)保頂板水開采。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提供無煤柱自成巷底板減損頂板平衡保水開采方法，解決上述背景技術(shù)中提出的問題，保障了煤層頂?shù)装搴畬拥姆€(wěn)定，實(shí)現(xiàn)平衡開采，減小覆巖下沉，實(shí)現(xiàn)頂板保水開采。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了無煤柱自成巷底板減損頂板平衡保水開采方法，包括以下步驟：

3、步驟s1、進(jìn)行抽水試驗并對頂?shù)装鍘r層鉆孔取芯，確定頂?shù)装鍑鷰r性質(zhì)、煤層與含水層距離以及含水層性質(zhì)，計算頂板導(dǎo)水裂隙帶高度和底板導(dǎo)水破壞帶深度；

4、步驟s2、以圍巖性質(zhì)為基礎(chǔ)，根據(jù)理論公式及數(shù)值模擬，進(jìn)行無煤柱自成巷預(yù)裂切頂設(shè)計和支護(hù)設(shè)計；

5、步驟s3、根據(jù)巖層物理力學(xué)參數(shù)、無煤柱自成巷預(yù)裂切頂設(shè)計和支護(hù)設(shè)計結(jié)果，進(jìn)行系列數(shù)值模擬試驗；

6、步驟s4、當(dāng)頂板導(dǎo)水裂隙帶或底板導(dǎo)水破壞帶連通含水層時，根據(jù)不同的情況相應(yīng)選擇進(jìn)行頂板注漿加固、底板注漿加固以及架后采空區(qū)充填；

7、步驟s5、根據(jù)上述步驟，最終實(shí)現(xiàn)無煤柱自成巷底板減損頂板平衡保水開采。

8、優(yōu)選的，所述步驟s1中計算頂板導(dǎo)水裂隙帶高度hr的公式如下：

9、

10、其中，hr為中硬頂板導(dǎo)水裂隙帶高度，m；m為煤層厚度，m；

11、計算底板導(dǎo)水破壞帶深度d的公式如下：

12、d＝0.0085t+0.1665a+0.1079l－4.3579

13、其中，d為底板導(dǎo)水破壞帶深度，m；t為平均開采深度，m；a為煤層傾角，°；l為工作面斜長，m。

14、優(yōu)選的，所述步驟s2的具體步驟如下：

15、步驟s21、當(dāng)開采高度小于5m時，切縫高度hf通過如下公式初步確定取值范圍：

16、hf＝(hc-δh1-δh2)/(k-1)

17、其中，hc為開采高度，δh1為頂板下沉量，δh2為底臌量，碎脹系數(shù)k＝k0e-at，k0為頂板垮落巖體初始碎脹系數(shù)，a為待定系數(shù)，t為時間變量；

18、步驟s22、當(dāng)開采高度5m以上時，切縫高度hf通過如下公式初步確定取值范圍：

19、hf＝(hc-δh1-δh2-δhb)/(k-1)

20、其中，hc為開采高度，δh1為頂板下沉量，δh2為底臌量，δhb為充填高度。

21、優(yōu)選的，所述步驟s3的具體步驟如下：

22、步驟s31、薄及中煤厚層情況下，不同切頂高度下垮落巖體的碎脹體積，使其滿足如下方程：

23、△vm＝△vb＝(k-1)hcs

24、其中，△vm為采礦量，△vb為碎脹量，s為開采面積；

25、在滿足上述方程的情況下，計算頂板垮落帶、裂隙帶發(fā)育情況以及底板導(dǎo)水破壞帶范圍，并與頂?shù)装搴畬泳嚯x對比，包括三種情況；

26、步驟s32、厚煤層大采高情況下，頂板碎脹不能完全充滿采空區(qū)時，頂板導(dǎo)水裂隙帶、底板導(dǎo)水破壞帶連通含水層，根據(jù)不同情況分別考慮含水層性質(zhì)并進(jìn)行底板注漿加固和架后采空區(qū)充填，保證含水層結(jié)構(gòu)不受破壞。

27、優(yōu)選的，所述步驟s31中的三種情況包括：

28、(4)頂板裂隙帶發(fā)育高度或底板導(dǎo)水破壞帶發(fā)育深度均未到達(dá)預(yù)保護(hù)含水層位置，按設(shè)計參數(shù)進(jìn)行施工和開采，無需采取治理措施；

29、(5)頂板裂隙帶發(fā)育高度或底板導(dǎo)水破壞帶發(fā)育深度剛好到達(dá)預(yù)保護(hù)含水層位置，調(diào)整切頂高度hc、采取深淺孔組合爆破、支架循環(huán)加卸載措施增大垮落巖體碎脹程度，保證含水層結(jié)構(gòu)不受開采影響；

30、(6)頂板裂隙帶發(fā)育高度或底板導(dǎo)水破壞帶發(fā)育深度超過預(yù)保護(hù)含水層位置，調(diào)整切頂高度hc或垮落巖體碎脹程度已無法同時滿足保水開采與留巷要求，采取底板立體注漿加固或頂板切頂范圍以外隔水層、含水層注漿改造。

31、優(yōu)選的，所述步驟s4中頂板注漿加固采用的方法為井下超前鉆孔注漿，加固并改造切頂范圍以外的含水層、隔水層。

32、優(yōu)選的，所述步驟s4中的底板注漿加固包括：

33、步驟s41、使鉆孔注漿終孔壓力達(dá)到含水層水壓p的1.5～2.0倍；

34、步驟s42、工作面外圍加固范圍l＝l1+30m，其中l(wèi)1為煤層的外圍采動影響范圍，通過塑性力學(xué)理論和數(shù)值模擬綜合確定；

35、步驟s43、底板注漿加固深度d1按照正常塊段突水系數(shù)不大于0.1mpa/m、構(gòu)造破壞段突水系數(shù)不大于0.06mpa/m計算，如下式所示：

36、d1＝d+[(p-d×0.06)÷0.1]

37、其中，p為含水層水壓、d為底板導(dǎo)水破壞帶最大深度。

38、優(yōu)選的，所述步驟s4中的架后采空區(qū)充填包括：采用注漿支架在煤層回采后對采空區(qū)注入煤矸石、粉煤灰進(jìn)行充填，充填體積vc如下式所示：

39、vc＝vm-vb

40、其中，vm表示采礦體積，vb表示巖體垮落碎脹體積。

41、因此，本發(fā)明采用上述無煤柱自成巷底板減損頂板平衡保水開采方法，保障了煤層頂?shù)装搴畬拥姆€(wěn)定，一方面取消了常規(guī)開采中的煤柱，通過切頂卸壓減小底板應(yīng)力集中造成的底板損傷，通過底板立體加固實(shí)現(xiàn)底板保水開采；另一方面，通過頂板切頂范圍外注漿加固和切頂范圍內(nèi)巖體碎脹調(diào)控，實(shí)現(xiàn)平衡開采，減小覆巖下沉，實(shí)現(xiàn)頂板保水開采。

42、下面通過附圖和實(shí)施例，對本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。